色彩知識(shí)：從牛頓七色光到“CIE1931”色彩空間

在顏色感知的研究中，CIE 1931 XYZ色彩空間(也叫做CIE 1931色彩空間)是其中一個(gè)最先采用數(shù)學(xué)方式來定義的色彩空間，它由國(guó)際照明委員會(huì)(CIE)于1931年創(chuàng)立。本文簡(jiǎn)單介紹了“CIE1931”色彩空間產(chǎn)生的過程。

第一階段：牛頓七色光

1666年，牛頓做了一個(gè)三菱鏡分析白光的實(shí)驗(yàn)，將“彩虹”成功的還原成了一到白光，他發(fā)現(xiàn)白光并不是“純潔”的光，而是由七種不同顏色的光混合而成的。

第二階段：可見光和三基色

1801年，托馬斯•楊進(jìn)行了注明的楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)，證明了光是以波的形式傳播的，不同波長(zhǎng)的光呈現(xiàn)出不同的顏色，而380nm-780nm是人眼可以感知的可見光范圍。

而針對(duì)人眼對(duì)顏色的感覺，這里不得不提到色彩三要素，即圖3的光源、物體、觀察者。

而針對(duì)人眼對(duì)于顏色的感知或者說感覺，既然是感覺，那么就一定是主觀的，所以人眼對(duì)于顏色的感知是經(jīng)過了大腦的處理對(duì)的。對(duì)于人眼來說，則不得不提到人眼的視覺細(xì)胞。

如上圖中的標(biāo)出紅綠藍(lán)三種顏色的細(xì)胞，就是人眼當(dāng)中的錐狀細(xì)胞，而這些細(xì)胞基本上都是在明亮的環(huán)境中才會(huì)正常工作的細(xì)胞，也成明視覺細(xì)胞。而在相對(duì)較暗的環(huán)境中，則主要是人眼當(dāng)中的桿狀細(xì)胞在工作，也即暗視覺細(xì)胞。針對(duì)現(xiàn)今汽車當(dāng)中的內(nèi)飾氛圍燈而言，由于氛圍燈本身的亮度以及它的工作環(huán)境，則是在圖3中的右半部分中的虛線，即中間曲線，也就是明視覺細(xì)胞與暗視覺細(xì)胞同時(shí)工作的狀態(tài)。

我們回到1802年，托馬斯又提出了三基色的概念，色覺取決于眼睛里三種不同的視錐細(xì)胞，即感受長(zhǎng)波（L）的視錐細(xì)胞，感受中波（M）的視錐細(xì)胞，感受短波（S）的視錐細(xì)胞，這三種視錐細(xì)胞通常與他們最敏感的顏色聯(lián)系在一起，L可代表紅色波段（560nm-580nm），M可代表綠色波段（530nm-540nm），S可代表藍(lán)色波段（420nm-440nm），根據(jù)這三種視錐細(xì)胞的刺激比例，就可以描述出任何一種顏色的感覺。

第四階段：三原色

1852年，德國(guó)物理學(xué)家赫姆霍茲對(duì)托馬斯•楊的理論進(jìn)行了改進(jìn)，并重新提出了托馬斯•楊的三原色視覺說（此理論在1965年前后由實(shí)驗(yàn)證明）。赫姆霍茲認(rèn)為一切色彩都可以從紅、綠、藍(lán)三種原色色光的不同比例混合而成。

1928年，帝國(guó)理工學(xué)院的萊特（W. David Wright）采用650nm的紅，530nm的綠，460nm的藍(lán)作為三原色，并邀請(qǐng)了10名觀察者參加了他的顏色匹配實(shí)驗(yàn)。1931年，倫敦國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的吉爾德（John Guild）采用630nm的紅，542nm的綠，460nm的藍(lán)作為三原色，邀請(qǐng)了7名觀察者參加了他的顏色匹配實(shí)驗(yàn)。圖5為兩位科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

第四階段：“CIE1931”色彩空間

由于萊特（W. David Wright）與吉爾德（John Guild）兩位科學(xué)家使用的三原色不同導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法統(tǒng)一，所以在1931年，國(guó)際照明委員會(huì)CIE綜合了兩位科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并采用了700nm的紅，546.1nm的綠，435.8nm的藍(lán)作為三原色，邀請(qǐng)了300多名觀察者重新做了顏色匹配實(shí)驗(yàn)，最終得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（CIE 1931 RGB色度系統(tǒng)光譜三刺激值曲線圖-見下圖6右半部分）。

并通過上面的數(shù)據(jù)建立了CIE 1931 RGB色度系統(tǒng)，見圖7，并從該系統(tǒng)中導(dǎo)出了僅有rg兩軸的平面坐標(biāo)圖“CIE 1931 RGB色度圖”——圖6中左半部分。

雖然“CIE 1931 RGB色度系統(tǒng)”解決了顏色的數(shù)學(xué)定義問題，但是由于光譜的三刺激值中有負(fù)值，造成光譜軌跡曲線的坐標(biāo)有很大一部分在負(fù)軸上，不便于人們對(duì)色彩的分析，所以CIE重新設(shè)計(jì)了一個(gè)新的“CIE-XYZ坐標(biāo)系”，然后在不改變?cè)紨?shù)據(jù)意義的前提下，通過坐標(biāo)變換是的所有的點(diǎn)都集中到“CIE-XYZ坐標(biāo)系”的第一象限內(nèi)，即形成了“CIE 1931 XYZ標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)”，并導(dǎo)出了對(duì)應(yīng)的平面坐標(biāo)圖“CIE 1931 Yxy色度圖”，它從數(shù)學(xué)的角度描述了人類可以看到的所有顏色，也是由自然界中可見光譜組成的最大色彩空間，由于它的形狀類似馬蹄，所以也叫馬蹄圖，如下圖8。

即我們現(xiàn)如今廣泛使用的“CIE 1931”。其中使用了坐標(biāo)（x，y）描述顏色的色度（色度=色相+飽和度），使用了一個(gè)隱藏函數(shù)Y來描述顏色的亮度（Luminance）。